近代自然科學(xué)初步發(fā)展

近代自然科學(xué)初步發(fā)展第一章近代自然科學(xué)的初步發(fā)展

14世紀(jì)發(fā)端于意大利、隨后波及整個(gè)歐洲的文藝復(fù)興運(yùn)動(dòng)，是一場思想文化解放運(yùn)動(dòng)。文藝復(fù)興不僅創(chuàng)造了近代的古典文學(xué)和藝術(shù)，而且由于它對(duì)經(jīng)院哲學(xué)的蔑視和拒斥、對(duì)現(xiàn)實(shí)世界和世俗生活的關(guān)注、對(duì)古典文化資源的挖掘，為近代自然科學(xué)的誕生創(chuàng)造了非常有利的文化氛圍。文藝復(fù)興之城——佛羅倫撒高等教育出版社版權(quán)所有復(fù)制必究文藝復(fù)興，是14世紀(jì)至16世

紀(jì)在歐洲興起的一個(gè)思想文化運(yùn)

動(dòng)，帶來一段科學(xué)與藝術(shù)革命時(shí)

期，揭開了現(xiàn)代歐洲歷史的序幕，

被認(rèn)為是中古時(shí)代和近代的分界。

馬克思主義史學(xué)家認(rèn)為是封建主

義時(shí)代和資本主義時(shí)代的分界。

文藝復(fù)興不僅創(chuàng)造了近代的古典

文學(xué)和藝術(shù)，而且為近代自然科

學(xué)的誕生也創(chuàng)造了非常有利的文

化氛圍。

列奧納多·達(dá)·芬奇的人體比例，表現(xiàn)了文藝復(fù)興時(shí)期把藝術(shù)與科學(xué)結(jié)合的特色宗教改革運(yùn)動(dòng)從14、15世紀(jì)開始，在西歐與中歐國家興起，它打破了教會(huì)的精神獨(dú)裁，為自然科學(xué)從神學(xué)中解放出來創(chuàng)造了必要的社會(huì)前提。

最后的審判——米開朗基羅大衛(wèi)——米開朗基羅在意大利和地中海沿岸的一些城市，由手工藝人集合在一起集體勞動(dòng)的手工工場也開始出現(xiàn)了，它的出現(xiàn)促進(jìn)了生產(chǎn)技術(shù)改進(jìn)、分工和協(xié)作的發(fā)展，為進(jìn)一步改進(jìn)技術(shù)和使用機(jī)器創(chuàng)造了條件。文藝復(fù)興時(shí)期制作樂器的工場工人正在進(jìn)行印刷工作15世紀(jì)下半葉，新工廠主、商人的經(jīng)濟(jì)實(shí)力愈加雄厚，他們要求擴(kuò)大貿(mào)易和到海外尋找財(cái)富，應(yīng)運(yùn)而生的遠(yuǎn)航探險(xiǎn)和地理大發(fā)現(xiàn)對(duì)歐洲的社會(huì)和科學(xué)技術(shù)產(chǎn)生了極大的促進(jìn)作用。哥倫布塑像哥倫布規(guī)航后覲見國王中國、印度和阿拉伯等國的科技傳入歐洲后，對(duì)歐洲的社會(huì)發(fā)展和科學(xué)技術(shù)進(jìn)步產(chǎn)生了巨大的推動(dòng)作用。英國政治家、哲學(xué)家培根(F.Bacon，1561—1626)在1620年就曾指出，“三大發(fā)明”改變了整個(gè)世界事物的面貌和狀態(tài)；沒有一個(gè)帝國、沒有一個(gè)教派、沒有一個(gè)大人物對(duì)人類事務(wù)的影響，能做這三種發(fā)明那樣巨大和深遠(yuǎn)。印刷術(shù)：唐代時(shí)傳到日本，公元12世紀(jì)傳到埃及，14世紀(jì)傳入歐洲，為歐洲科學(xué)的興起及文藝復(fù)興運(yùn)動(dòng)提供了重要的物質(zhì)條件。§1.1科學(xué)革命的突破

1.1.1

天文學(xué)革命天文學(xué)作為一門古老的學(xué)科，研究廣闊空間中天體的位置、分布、運(yùn)動(dòng)、形態(tài)結(jié)構(gòu)、物理狀態(tài)、化學(xué)組成和演化規(guī)律。古代人為了生產(chǎn)等需要，已經(jīng)開始有目的地對(duì)星體、日、月進(jìn)行觀察記錄。古希臘天文學(xué)對(duì)后世有很大影響，柏拉圖提出地球的中心思想，后由托勒密發(fā)展為地心說。托勒密的地心說體系

在托勒密的地心說看來，地球處于宇宙的中心，靜止不動(dòng)，太陽及其他行星圍繞著地球運(yùn)行．為了解釋與彌合天文觀測的差距，托勒密構(gòu)造出本輪—均輪體系。以使地球中心體系符合觀察到的星體運(yùn)動(dòng)路徑。在中世紀(jì)西方、教會(huì)將其納入到嚴(yán)密而龐大的神學(xué)體系中，作為上帝創(chuàng)世說的一個(gè)不可缺少的組成部分，這樣一來。原本很單純的天文學(xué)理論——地心說——就變成了維護(hù)教會(huì)權(quán)威的一個(gè)重要理論支柱。本輪——均輪圖尼古拉·哥白尼，波蘭偉大的天文學(xué)家、太陽中心說的創(chuàng)始人、近代天文學(xué)的奠基人。隨著時(shí)間延長，“地心說”與實(shí)際的偏離越來越大。哥白尼經(jīng)過數(shù)十年的觀察和研究，終于建方起以太陽為中心的寧宙體系——“日心說”。日心說認(rèn)為，地球是一顆普通的行星，它既有繞自轉(zhuǎn)軸的自轉(zhuǎn)，又與其他行星一起圍繞宇宙中心——太陽旋轉(zhuǎn)。這就使得以前看來極不協(xié)調(diào)的種種天象變得簡單而和諧。哥白尼的著述1.1.2醫(yī)學(xué)生理學(xué)革命自古以來，醫(yī)學(xué)實(shí)踐一直是人類活動(dòng)的一個(gè)極為重要的方面，研究疾病的產(chǎn)生、性質(zhì)和治療以及研究人體的結(jié)構(gòu)和功能，始終是自然科學(xué)不可缺少的組成部分。文藝復(fù)興以來，一批藝術(shù)家、醫(yī)學(xué)家從事人類解剖學(xué)和解剖生理學(xué)的研究。比利時(shí)醫(yī)生維薩留斯發(fā)表《人體結(jié)構(gòu)》，并證明男女肋骨數(shù)目相同。他的結(jié)論動(dòng)搖了天主教的教條，并因此受到迫害。右圖為維薩留斯在書中描繪的人體靜脈系統(tǒng)，其精密程度另人贊嘆。維薩留斯

17世紀(jì)，英國科學(xué)家哈維找到了血液流通的途徑，為人們充分了解人和動(dòng)物的生理學(xué)開辟了新的途徑。哈維從實(shí)驗(yàn)入手，做了綁扎人體上臂血管和計(jì)算血流量的實(shí)驗(yàn)。他發(fā)現(xiàn)，動(dòng)脈和靜脈中血液流動(dòng)的方向相反。哈維還對(duì)血流量進(jìn)行了計(jì)算，從而發(fā)現(xiàn)，血液在全身沿著一個(gè)閉合路徑作循環(huán)運(yùn)動(dòng)。血液循環(huán)理論的建立，具有重要的科學(xué)價(jià)值。捆扎上臂血管實(shí)驗(yàn)哈維血液循環(huán)

在血液循環(huán)理論的建立過程中，由于社會(huì)條件的原因，充滿著艱辛的斗爭。教會(huì)為了神學(xué)的需要，把蓋侖的醫(yī)學(xué)理論絕對(duì)化、凝固化，用來論證宗教神學(xué)的結(jié)論。除了維薩留斯受到了教會(huì)的迫害以外，塞爾維特也因其異端的神學(xué)觀點(diǎn)被加爾文派新教逮捕并處以死刑，在燒死之前還活活烤了兩個(gè)鐘頭。血液循環(huán)理論的建立，具有重要的科學(xué)價(jià)值，成了臨床醫(yī)學(xué)的理論基礎(chǔ)、同時(shí)也成了近代生理學(xué)的重要基礎(chǔ)。在哈維以后，比較解剖學(xué)、人體生理學(xué)、醫(yī)學(xué)等生物學(xué)學(xué)科逐步建立起來。1.2.1開普勒對(duì)天空“立法”開普勒與第谷合作，使他獲得了大量精確的天文學(xué)數(shù)據(jù)。1609—1619年，他先后提出了行星運(yùn)動(dòng)三定律。第谷在天文臺(tái)工作第谷用過的望遠(yuǎn)鏡§1.2經(jīng)典力學(xué)的奠基1.橢圓定律：開普勒的行星運(yùn)動(dòng)第一定律指出，行星的運(yùn)動(dòng)軌道不是傳統(tǒng)認(rèn)為的正圓形。而是橢圓形；而太陽處于橢圓焦點(diǎn)之一的位置上。 開普勒第一定律2．等面積定律：在行星與太陽間作一條直線，則此直線在行星運(yùn)動(dòng)時(shí)于相同時(shí)間內(nèi)掃過相等的面積。3．和諧定律：行星運(yùn)動(dòng)周期T的平方正比于行星與太陽平均距離R的三次方，記為：開普勒第二定律

開普勒是德國近代著名的天文學(xué)家、數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家和哲學(xué)家。他以數(shù)學(xué)的和諧性探索宇宙，在天文學(xué)方面做出了巨大貢獻(xiàn)。開普勒是繼哥白尼之后第一個(gè)站出來捍衛(wèi)太陽中心說、并在天文學(xué)方面有突破性成就的人物，被后世科學(xué)史家稱為“天上的立法者”。開普勒生在德國威爾的一個(gè)貧民家庭，1587年，他進(jìn)入蒂賓根大學(xué)，很快成為哥白尼學(xué)說的忠實(shí)維護(hù)者。后來，由于學(xué)校被天主教會(huì)控制，開普勒離開神學(xué)院前往布拉格，與卓越的天文學(xué)家第谷一起專心地從事天文觀測工作。他充分利用了第谷·布拉赫留下的大量精確的天文觀測資料，改進(jìn)了哥自尼的學(xué)說．確立了行星運(yùn)動(dòng)三定律，為天體力學(xué)的誕生提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。開普勒1.2.2伽利略對(duì)地面物體的研究主要貢獻(xiàn)：力學(xué)伽利略是第一個(gè)把實(shí)驗(yàn)引進(jìn)力學(xué)的科學(xué)家，他利用實(shí)驗(yàn)和數(shù)學(xué)相結(jié)合的方法確定了一些重要的力學(xué)定律。

伽利略·伽利

意大利物理學(xué)家和天文學(xué)家，實(shí)驗(yàn)物理學(xué)的先驅(qū)者，提出著名的相對(duì)性原理、慣性原理、拋體的運(yùn)動(dòng)定律、擺振動(dòng)的等時(shí)性等?！蛾P(guān)于兩門新科學(xué)的對(duì)話和數(shù)學(xué)證明對(duì)話集》總結(jié)了他的科學(xué)思想以及在物理學(xué)和天文學(xué)方面的研究成果。

天文學(xué)他是利用望遠(yuǎn)鏡觀測天體取得大量成果的第一位科學(xué)家。哲學(xué)他一生堅(jiān)持與唯心論和教會(huì)的經(jīng)院哲學(xué)作斗爭,主張用具體的實(shí)驗(yàn)來認(rèn)識(shí)自然規(guī)律,認(rèn)為經(jīng)驗(yàn)是理論知識(shí)的源泉。

伽利略發(fā)現(xiàn)的四顆衛(wèi)星伽利略著名的“斜面實(shí)驗(yàn)”伽利略的最主要貢獻(xiàn)或最主要的貢獻(xiàn)之一在于對(duì)于地面物體運(yùn)功的研究。1638年出版的他的《關(guān)于兩門自然科學(xué)的對(duì)話和數(shù)學(xué)證明》一書，是他對(duì)地面物體起動(dòng)研究的一個(gè)總結(jié)。在該書中，伽利略敘述了“斜面實(shí)驗(yàn)”。

亞里士多德認(rèn)為兩個(gè)物體以同一高度落下，重的比輕的先著地。但伽利略經(jīng)過反復(fù)的研究與實(shí)驗(yàn)后，得出與之截然相反的結(jié)論：物體下落的快慢與重量無關(guān)。斜面試驗(yàn)比薩斜塔

綜合斜面實(shí)驗(yàn)的過程，可以設(shè)計(jì)和制造一個(gè)光滑的斜面和平面(如圖中由A經(jīng)B至C)，再用一個(gè)光滑的球由A經(jīng)斜面落下。經(jīng)過多次的反復(fù)實(shí)驗(yàn)，伽利略得到以下的結(jié)論：

1.在斜面AB上，小球作加速運(yùn)動(dòng)。在斜面傾角一定時(shí)，無論小球重量如何，加速度值都一樣，在斜面上滾動(dòng)的銅球所經(jīng)過的各種距離總是同所用時(shí)間的平方成比例。這就是伽利略發(fā)現(xiàn)的自由落體定律。ABCD

2.在小球落到B點(diǎn)并沿BC平面滑動(dòng)時(shí)，在運(yùn)動(dòng)方向上小球并不受力。但它仍然按起始速度作勻速直線運(yùn)動(dòng)。如果BC足夠長，小球?qū)⒂肋h(yuǎn)保持原速。這個(gè)說法也就是慣性定律。這一發(fā)現(xiàn)表明速度并不是由外力引起的，力是產(chǎn)生加速度的原因而不是產(chǎn)生速度的原因。3.如果小球運(yùn)動(dòng)至平面的一端的C點(diǎn)落下，一方面物體要保持勻速運(yùn)動(dòng)繼續(xù)前進(jìn)，另一方面它又要在垂直方向下落，于是物體呈現(xiàn)出拋體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，圖中即小球?qū)⒀匕霋佄锞€CD落至D點(diǎn)。伽利略的研究成果，為后來牛頓的進(jìn)一步綜合奠定了基礎(chǔ)?！?.3近代科學(xué)的第一次大綜合1.3.1牛頓的綜合在哥白尼、開普勒關(guān)于天體運(yùn)動(dòng)規(guī)律和伽利略關(guān)于地面物體的動(dòng)力學(xué)研究的基礎(chǔ)上。牛頓展開了更全面的分析、綜合和概括工作，終于建立了經(jīng)典力學(xué)體系，實(shí)現(xiàn)了近代科學(xué)史上的第一次大綜合。英國著名詩人Pope寫道：

自然界和自然界的規(guī)律隱藏在黑暗中，上帝說：“讓牛頓去吧！”于是一切成為光明。

牛頓在著名的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》一書中，給出了一種力的定義：“施加的力是能夠使物體改變它的靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)的一種作用”。這兒乎就是力的現(xiàn)代定義。事實(shí)上，力是代表物體間的一種相互作用，由于這種作用．物體會(huì)改變速度，即獲得加速度。

在定義了力的概念以后，牛頓在伽利略關(guān)于物體運(yùn)動(dòng)研究的基礎(chǔ)上，總結(jié)出來有關(guān)地面物體運(yùn)動(dòng)的三大定律。

《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》

牛頓第一定律又稱慣性定律：任何物體都保持靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，知道其它任何物理所作用的力迫使它改變這種狀態(tài)為止。牛頓第二定律又稱運(yùn)動(dòng)基本定律：物體在受到外力時(shí)，物理所獲得的加速度的大小和外力成正比，而與物體的質(zhì)量成反比，加速的的方向與外力方向相同。

牛頓第三定律又稱作用和反作用定律：作用力與反作用力大小相等，方向相反，分別作用于不同的物體上。

1.3.2萬有引力定律牛頓在建立了力學(xué)的基本概念并發(fā)現(xiàn)了力學(xué)的基本定律之后，就試圖用來解決一系列的問題。他在著手解決太陽系的動(dòng)力學(xué)問題中，進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律。萬有引力定律又稱物質(zhì)相互作用的普遍規(guī)律：任何兩個(gè)物體都存在著相互作用的吸引力，吸引力的方向沿兩個(gè)物體連線的方向，力的大小與兩個(gè)速體質(zhì)量乘積成正比，與兩個(gè)物體之間的距離的平方成反比?！?.4其它學(xué)科的初步發(fā)展數(shù)學(xué)：

16－18世紀(jì)是常量數(shù)學(xué)到變量數(shù)學(xué)的時(shí)期。

法國人笛卡兒（1596--1650年）分析了幾何學(xué)與代數(shù)學(xué)的優(yōu)缺點(diǎn)，表示要尋求一種包含這兩門科學(xué)的優(yōu)點(diǎn)而沒有它們?nèi)秉c(diǎn)的方法，這種方法就是用代數(shù)方法來研究幾何問題──解析幾何，并與17世紀(jì)上半葉創(chuàng)立了解析幾何。

笛卡兒分型耐普爾的計(jì)算器

17世紀(jì)上半葉英國人耐普爾發(fā)明了對(duì)數(shù)，對(duì)數(shù)的發(fā)明，有助于改進(jìn)和簡化計(jì)算，拉普拉斯這樣來評(píng)價(jià)這一發(fā)明：它用縮短計(jì)算的時(shí)間來使天文學(xué)家的壽命加倍。

牛頓和萊布尼茨在17世紀(jì)下半葉各自獨(dú)立的創(chuàng)立了微積分學(xué)。他們的功績主要在于：把各種有關(guān)問題的解法統(tǒng)一成微分法和積分法。（右圖為萊布尼茨）化學(xué)：近代化學(xué)的前身是古代的煉丹術(shù)和煉金術(shù)。煉丹術(shù)和煉金術(shù)與神秘主義有關(guān)，煉丹術(shù)士和煉金術(shù)士以分散的神秘活動(dòng)為特色，他們對(duì)長生不老、發(fā)財(cái)致富的不懈追求，雖然我們今天看來荒誕不經(jīng)，但是卻也為我們積累了很多的化學(xué)知識(shí)。玻意爾在1661年出版《懷疑派的化學(xué)家》，書中首次將化學(xué)確立為一門獨(dú)立的科學(xué)，并提出化學(xué)元素定義。英國化學(xué)家普利斯特列發(fā)現(xiàn)了氧氣。下圖為其二人的化學(xué)實(shí)驗(yàn)室，左圖為玻意爾實(shí)驗(yàn)室。拉瓦錫，法國化學(xué)家，他進(jìn)行的化學(xué)革命被公推為18世紀(jì)科學(xué)發(fā)展史上最輝煌的成就之一。拉瓦錫是近代化學(xué)奠基人之一。1774年10月，普里斯特列向拉瓦錫介紹了自己的實(shí)驗(yàn):氧化汞加熱時(shí),可得到“脫燃素氣”，這種氣體使蠟燭燃燒得更明亮，還能幫助呼吸。拉瓦錫重復(fù)了普里斯特利的實(shí)驗(yàn)，得到了相同的結(jié)果。拉瓦錫并不相信燃素說，所以他認(rèn)為這種氣體是一種元素,1777年正式把這種氣體命名為oxygen（中譯名氧）。燃素學(xué)說拉瓦錫用實(shí)驗(yàn)證明了化學(xué)反應(yīng)中的質(zhì)量守恒定律。拉瓦錫的氧化學(xué)說徹底地推翻了燃素說，使化學(xué)開始蓬勃地發(fā)展起來。拉瓦錫的實(shí)驗(yàn)室光學(xué)：

17世紀(jì)以來由于天文學(xué)研究的需要，光學(xué)得到了較快的發(fā)展。在近代科學(xué)史上，第一個(gè)對(duì)光現(xiàn)象進(jìn)行系統(tǒng)研究的是開普勒，他首先提出了光度學(xué)定理。還研究了光的折射現(xiàn)象和透鏡成像問題。17世紀(jì)初，荷蘭數(shù)學(xué)家斯涅爾(1580——1628)發(fā)現(xiàn)了光的反射和折射定律。開普勒斯涅耳

反射定律：反射角＝入射角

θi=θt

折射定律：光從疏介質(zhì)入射密介質(zhì)，折射角小于入射角。

n1xsinθ1=n2xsinθ2色散：波速隨波長而改變的性質(zhì)稱為色散。

費(fèi)馬，法國數(shù)學(xué)家物理學(xué)家，解析幾何學(xué)創(chuàng)始人之一。得到確定光在介質(zhì)中傳播所走的路徑和光程極值原理。

在岸邊看到落水的人，如何用最短的時(shí)去救他，選擇1繞遠(yuǎn)必然被放棄了，選擇2是最短路線，但我們卻選擇3，因?yàn)樵陉懙厣纤俣雀欤@就是費(fèi)馬原理：“光所選擇的路徑是最節(jié)省時(shí)間的路徑”。牛頓進(jìn)行了日光分光實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)白光是由紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛和紫七色光組成，這種分解出來的單色光再通過第二個(gè)棱鏡時(shí)沒有增加任何新的成分，而將第一次分解的光也可以再用另一個(gè)棱鏡合成白光。牛頓通過一系列的研究，根據(jù)光的直線傳播原理認(rèn)為光是一種微粒流，微粒從光源飛出，在均勾物質(zhì)內(nèi)以力學(xué)定律作勻速運(yùn)動(dòng)，他以此解釋了光的反射和折射，但在解釋他自己發(fā)現(xiàn)的牛頓環(huán)時(shí)卻遇到重重困難。光的本性問題是研究的焦點(diǎn)。分光試驗(yàn)牛頓環(huán)

惠更斯創(chuàng)立了光的波動(dòng)說，他認(rèn)為光是一種波，他的傳播與聲音相似。光的波動(dòng)說對(duì)于光的反射、折射、衍射現(xiàn)象解釋得較為合理，但對(duì)光的直進(jìn)和雙折射現(xiàn)象等則難以理解。

波動(dòng)說與微粒說的爭